Utveckling och prov av en 50 kJ elektrisk pulsgenerator

Utveckling och prov av en 50 kJ elektrisk pulsgenerator

A Capacitive 50 kJ High-Voltage Pulse Generator

Johan Ekholm

EXAMENSARBETE Elektroteknik

2009 Nr: E 3740 E

Högskolan Dalarna Telefon: 023-77 80 00

Röda vägen 3 Telefax: 023-77 80 50

781 88 BORLÄNGE URL: http://www.du.se/

EXAMENSARBETE, C-nivå Elektroteknik

Reg nr Omfattning

E 3740 E 10 p

Namn

Datum

Johan Ekholm 2009-04-05

Handledare Examinator

Karl-Erik Norell Björn Sohlberg

Företag/Institution Kontaktperson vid företaget/institutionen

Högskolan Dalarna Institutionen för Elektroteknik Per Liljas

Titel

Utveckling och prov av en 50 kJ elektrisk pulsgenerator

Nyckelord

Högspänning pulsgenerator gnistgap trigatron energilagringskondensator SPICE simulering urladdningskanal kanalradie kanalresistans

Sammanfattning

Detta arbete beskriver en elektrisk pulsgenerator, dess konstruktion och ingående komponenter.

Särskild uppmärksamhet ägnas åt det triggade gnistgapet och triggpulsgeneratorn. Gnistgapets konstruktion beskrivs. En SPICE-modell utvecklas för gnistgapets urladdningskanal.

Urladdningskanalens egenskaper simuleras. Simulerad och fotograferad kanalradie jämförs.

Några genomförda försök beskrivs kort, däribland det katastrofala och avslutande försöket. Det

avslutande försöket analyseras. Avslutningsvis avhandlas några tänkbara utbyggnader och

förbättringar.

DEGREE PROJECT Eletrical Engineering

Reg number Extent

E 3740 E 15 ECTS

Name of student Year-Month-Day

Johan Ekholm 2009-04-05

Supervisor Examiner

Karl-Erik Norell Björn Sohlberg

Company/Department Supervisor at the Company/Department

Högskolan Dalarna - Department of Electrical Engineering Per Liljas

Title

A Capacitive 50 kJ High-Voltage Pulse Generator

Keywords

High voltage pulse generator triggered spark gap trigatron energy-storage-capacitor SPICE simulation spark-channel channel-radius channel-resistance

Summary

This work describes a high-voltage pulse generator, its construction and composing parts, with

special attention given to the design and behaviour of the mid-plane triggered spark gap and the

trigger pulse generator. A SPICE model for the spark-channel is presented. The spark gap is

simulated using the presented model. Simulated and photographed spark-channels are compared

with respect to their radii. Some of the experiments carried out are briefly described, including

the disastrous and hence the final trial. This terminating experiment is analysed. Finally, some

extensions and improvements are discussed.

1 Inledning ... 2

2 Konstruktion och viktigare beståndsdelar... 3

2.1 Energilagringskondensatorn... 4

2.2 Vridtransformatorn... 4

2.3 Högspänningstransformatorn ... 4

2.4 Likriktarbryggans dioder... 5

2.5 Urladdningsomkopplare... 6

2.5.1 Gnistgapet ... 7

2.5.2 Valet av gnistgap... 7

2.6 DC-blockeringskondensator... 9

2.7 Triggtransformator och triggmodul... 10

2.8 Nödurladdningsrelä ... 14

2.9 Uppladdnings- och dumpmotstånd ... 14

2.10 Styrmodul... 15

2.10.1 De två analoga ingångsstegen för spänning ... 15

2.10.2 Ingångssteget för uppladdningsströmmen ... 16

2.10.3 Utgångsstegen för reläer etc... 16

2.10.4 Utgångssteget för triggmodulen... 16

2.10.5 Anslutning till extern utrustning ... 16

2.10.6 Anslutning till logger ... 16

2.10.7 Reglering av uppladdningsströmmen... 16

2.10.8 Skyddet av kondensatorn ... 17

2.10.9 Uppladdningssekvens... 17

2.10.10 Urladdningssekvens ... 17

2.10.11 Vid urladdning under uppladdningen... 17

3 Simulering av gnistgapet... 18

3.1 Urladdningskanalen... 18

3.1.1 Kanalradien ... 18

3.1.2 Kanalresistansen... 20

3.1.3 SPICE-modeller ... 20

3.1.4 Jämförelse av simulerad och fotograferad kanalradie... 21

4 Några av försöken ... 22

4.1 Försök nummer 1 och 2 ... 22

4.2 Försök nummer 4 ... 22

4.3 Försök 6 och 7 ... 25

4.4 Försök nummer 8 ... 25

5 Felanalys av försök nr. 8 ... 26

5.1 Ljusbågarna ... 26

5.2 Beräkning av resonansfrekvensen... 27

5.3 Verifiering av kamerans bildlinjefrekvensen ... 28

6 Slutsatser och rekommendationer ... 29

6.1 Angående apparaten ... 29

6.2 Angående gnistgapet ... 29

6.3 Angående triggtransformatorn ... 29

6.4 Angående DC-blockeringskondensatorn ... 29

6.5 Angående vridtransformatorn ... 29

6.6 Angående anslutningar... 29

.

2

1 Inledning

En elektrisk pulsgenerator har ett antal potentiella användningsområden. Den genererade

elektriska och magnetiska energin kan användas till metallbearbetning och framdrivning. Dess

stora och snabbt stigande ström kan användas för samtidig tändning av multipla folie- eller

slapperinitiatorer eller så kan den frigjorda värmeenergin direkt användas för sönderdelning

av berg. Den lagrade energin kan driva gasurladdningsrör för att generera intensiva ljusblixtar

för rening av vatten etc. För att utvärdera de elektriska pulsernas användbarhet och för att

prova lämpliga komponenter så byggdes en pulsgenerator.

3

2 Konstruktion och viktigare beståndsdelar

Figur 1

Apparaten är byggd på en europall 800x1200mm. Dess höjd är ca 1900mm. På pallen ryms all utrustning som behövs för upp- och urladdning.

Energin för uppladdningen tages, via en kontaktor, från 400V 3-fas-nätet. Därefter följer en

motordriven vridtransformator och en strömtransformator som via en mikrokontroller bildar

en konstant ström generator. Spänningen från vridtransformatorn höjs med hjälp av en trans-

formator. Tansformatorn högspänning likriktas i en 3-fasbrygga. Likspänningen från denna

laddar kondensatorbanken via ett uppladdningsmotstånd på 4.5kΩ.

4

Kondensatorbanken urladdas genom lasten via ett triggat gnistgap

. Gnistgapets ringformade mittelektrod får en spänningspuls från en triggtransformator. Pulsen passerar en

skyddskondensator vars uppgift är att hindra likspänningen att nå triggtransformatorn.

Triggtransformatorns primärlindning matas från en pulsgenerator (2 Joule) vilken aktiveras via en extern TTL-signal.

Styrmodulen, benämnd µ-processor ovan, kontrollerar uppladdning och skydd av energilagringskondensatorn.

2.1 Energilagringskondensatorn

Kondensatorn, tillverkad av Maxwell Capacitors

, har följande egenskaper:

• Kapacitans på 206 µF

• Märkspänning 22 kV

• Serieinduktans 45 nH

• Designad livslängd är 3000 urladdningar, under förutsättning att följande kriterier är uppfyllda:

1, Maximal spänningsreversering 10 %.

2, Uppladdningstid understigande 60 sekunder.

3, Maximal hålltid 30 sekunder.

• Energilagrinskapacitet 50 kJ

• Vikt 146 kg

• Energitäthet 340 J/kg

Denna komponent valdes för dess låga pris.

2.2 Vridtransformatorn

Den motordrivna vridtransformatorn i kombination med styrmodulen skall förse

högspänningstransformatorn med en någotsånär konstant ström. I denna konstruktion är den dock underdimensionerad och kan endast leverera maximala 10 A. Detta är dock tillräckligt för att ladda upp en kondensator under 60 sekunder, men det är inte tillräckligt vid en eventuell utbyggnad med flera kondensatorer. Motorn kan endast köras upp eller ned och ej stannas i någon annan position än max eller min. Detta innebär inget prak- tiskt problem, men strömmen får ett sågtandformat rippel.

2.3 Högspänningstransformatorn

För upptransformering av spänningen från 400 V 3-fasnätet valdes en vanlig distributions- transformator. Denna transformator är oljeisolerad och mycket robust. Den ansågs robust nog att även användas vid en framtida utbyggnad till 200 kJ. Transformatorn är, om den drivs enligt märkningen, kapabel att ladda en kondensator på 206 µF till en slutspänning av 22 kV på 3.4 sekunder eller fyra kondensatorer á 206 µF till samma slutspänning på 14 sekunder, vilket är långt under den maximala uppladdningstiden på 60 sekunder.

Nuvarande uppladdningsström på högspänningssidan är 0.2 A vilket motsvarar en spänningsökning över lagringskondensatorn på omkring 1 kV/s. Detta ger fortfarande en uppladdningstid understigande 1 minut för aktuell konfiguration med en energilagringskondensator.

1 Angående valet av triggat gnistgap och alternativa komponenter se kapitel 2.5 ”Urladdningsomkopplare”

2 Nuvarande General Atomics

Figur 2 Energilagrings-

kondensator

Figur 3 Vridtransformator

Figur 4

Högspännings-transformator

5

2.4 Likriktarbryggans dioder

En högspänningsdiod består av två seriekopplade diodmoduler inneslutna i ett PVC-rör. För att minimera risken för överslag är detta rör är fyllt med en isolerande olja. Varje diodmodul, se Figur 5, är uppbyggd av 20 diod- resistorpar. Dioder och resistorer är parallellkopplade.

Resistorernas funktion är att jämnt fördela backspänningen över dioderna. Varje, i modulen ingående, diod är dimensionerad för 1kV toppspänning i backriktningen och en medelström på 1A i framriktningen. Detta ger att en modul kan hantera en backspänning på 20 kV, vilket ger att en komplett diod är användbar till likriktning av växelspänningar upp till 28 kV RMS och med en medelström av 1A. Sex sådana dioder sätts samman till en trefaslikriktare.

Figur 5

6

2.5 Urladdningsomkopplare

Denna komponents uppgift är att isolera lasten från energilagringskondensatorn tills dess kondensatorn energi skall överföras till lasten. Nedan listas några möjliga kandidater:

• Transistor

• Tyristor

• Mekanisk kontakt

• Gnistgap

o Överspänningsgnistgap o Triggat gnistgap

• Magnetiskt isolerad diod

Halvledare, så som transistorer och tyristorer, har en alvarlig begränsning. De kan, var för sig, inte hantera större effekter. För att samtidigt hantera stora strömmar och höga spänningar krävs att ett flertal komponenter serie- och parallellkopplas. Detta ger höga strökapacitanser och/eller stora styrströmmar. Därtill är effekthalvledare i regel långsamma. Halvledare ansågs vara för dyra.

Mekaniska kontakter för att hantera stora strömmar kräver stora kontaktytor och därmed stor massa på de rörliga elementen vilket ger långsamma rörelser och därmed en osäkerhet i tid när urladdningen initieras. Den höga spänningen kräver dessutom stora avstånd mellan kontaktelementet vilket ytterligare förlänger tiden som krävs för att sluta kontakten. Denna komponent ansågs därmed vara för långsam.

Det enkla gnistgapet bestående av två elektroder och övergår från isolerat till ledande då spänningsskillnaden mellan elektroderna överstiger överslagsspänningen. Tidpunkten när detta sker påverkas av många variabler och är därför något osäker.

Gnistgapet kan dock förses med en tredje elektrod. En spänningspuls på denna tredje elektrod, triggelektroden, kan störa det elektriska fältet i huvudgapet tillräckligt för att ett överslag mellan huvudelektroderna skall ske. Denna puls är förhållandevis enkel att generera och dess tidpunkt lättare att kontrollera.

En intressant komponent är den magnetiskt isolerade vakuumdioden

. Den är i princip

uppbyggd som ett vanligt radiorör med en glödkatod och en anod. Dock omsluts dioden av en spole vars axel vanligtvis sammanfaller med katodens axel. I det ledande tillståndet utan magnetfält fungerar komponenten som en vanlig diod. I ett tillräckligt starkt magnetfält så böjs de utsända elektronerna tillbaka till katoden utan att träffa anoden och dioden kan betraktas som en isolator. Trots att det vore högst önskvärt att kunna bryta strömmen så ansågs denna komponent vara för komplicerad att tillverka. Denna komponent tillsammans med transistorn är dock de enda komponenter kapabla att inte bara sluta en ström utan även snabbt bryta den.

Då det ansågs vara viktigt att exakt bestämma tidpunkten för urladdningen så föll valet på det triggade gnistgapet. Gnistgap kan hantera stora strömmar och höga spänningar. Tiden från triggpuls till ledning är tillräckligt kort. Gnistgap kan tillverkas till en acceptabel kostnad.

3 Gennady A. Mesyats , “Vacuum Discharge Effects in the Diodes of High-Current Electron Accelerators”, IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 19, NO. 5, OCTOBER 1991

7

2.5.1 Gnistgapet

Gnistgapet består av två sfäriska huvudelektroder av stål med respektive diameter 50 mm.

Avståndet mellan elektroderna är 9 mm. Mellan huvudelektroderna är en skivformig hålförsedd stålelektrod placerad. Hålets diameter är 20 mm. Denna triggelektrod skall

placeras på lika avstånd från huvudelektroderna och dess hål skall centreras med linjen genom huvudelektrodernas centrum och dess plan skall vara vinkelrät mot denna linje. Gnistgapets ena huvudelektrod ansluts direkt till energilagringskondensatorns högspänningsanslutning.

Den andra huvudelektroden ansluts till lasten.

Avståndet mellan huvudelektroderna hämtades från

där det anges att överslagsspänningen är 25 kV för ett gap på 7.7 mm mellan två sfäriska elektroder vars diametrar är 50 mm. Då den högsta aktuella spänningen är 22 kV borde 7.7 mm vara tillräckligt. Detta gäller dock utan mittelektroden. Trots att mittelektroden i vila antar halva gapspänningen så kommer dess blotta närvaro att förändra det elektriska fältet i gapet. Därför valdes ett elektrodavstånd på 9 mm. Ett prov av gnistgapet genomfördes med accelerationsspänningen från en CRT-skärm (+24 kV) och inget överslag noterades.

2.5.2 Valet av gnistgap

Valet stod mellan tre olika typer av triggade gnistgap.

Den första typen har två plana huvudelektroder. I den ena huvudelektroden är en eller flera triggelektroder monterade se Figur 6.

Denna typ ansågs vara för svår att tillverka.

Figur 6

8

Den andra typen har två sfäriska huvudelektroder. Mellan huvudelektroderna är en genom- borrad sfär med ett internt gnistgap placerad, se Figur 7. Det interna gnistgapets funktion ar att producera UV-ljus vilket i sin tur skall jonisera gasen på ömse sida om mittelektroden.

Även denna typ ansågs vara för svår att tillverka.

Figur 7 Triggat gnistgap

1 = Huvudelektrod ansluten till kondensatorn; 2 = Huvudelektrod ansluten till lasten; 3 = Triggelektrod;

4 = Joniserande gnista

Den tredje typen finns i två versioner. Båda versionerna har två huvudelektroder med en ringformig elektrod placerad i gapet mellan huvudelektroderna. Skillnaden ligger i triggelektrodens placering. Triggelektroden är antingen placerad nära en av

huvudelektroderna, se Figur 8, eller mitt emellan dessa, se Figur 9,.

Figur 8 Triggat gnistgap

1 = Huvudelektrod ansluten till kondensatorn;

2 = Huvudelektrod ansluten till lasten;

3 = Triggelektrod;

4 = Joniserande gnista

Figur 9 Triggat gnistgap

1 = Huvudelektrod ansluten till kondensatorn;

2 = Huvudelektrod ansluten till lasten;

3 = Triggelektrod;

4 = Joniserande gnista

Verkningssättet är det samma i båda versionerna. Vid triggning uppstår en gnista mellan triggelektroden och en av huvudelektroderna, uv-ljuset från denna gnista joniserar gapet mellan huvudelektroderna.

Valet föll på senare versionen för dess symmetriska uppbyggnad.

9

2.6 DC-blockeringskondensator

Denna kondensators uppgift är att blockera en eventuell likström från gnistgapet genom trigg- transformatorns sekundärlindning.

Kondensatorn konstruerades som ett dubbelsidigt kretskort med en rektangulär kopparö, med avfasade hörn, på vardera sidan av den 1.6 mm tjocka FR-4-isoleringen. 1.6 mm (0.062”) tjockt kopparlaminat är en standarddimension vars genombrottsspänning, enligt tillverkarens datablad, är 54 kV, vilket är tillräckligt i denna applikation. För att minska risken för

ytöverslag och koronaurladdningar försågs kondensatorns högspänningssida med ett pålimmat plastskydd.

För anslutning av kablarna försågs kondensatorn med två pålödda mässingshylsor, en vid vardera sidas mittpunkt, se Figur 10.

Figur 10 DC-blockeringskondensator

1 = Dielektrikum FR4; 2 = Kondensatorplattor Cu;

3 = Anslutningshylsor av mässing

10

2.7 Triggtransformator och triggmodul

Triggtransformatorns uppgift är att upptransformera triggsignalen till en högspänningspuls kapabel att jonisera gapet mellan triggelektroden och ena huvudelektroden i gnistgapet, och därigenom initiera urladdningen. Detta bör ske med minsta möjliga fördröjning och med en minimal variation i den fördröjning som ändå uppstår.

Valet av triggtransformator styrdes av vad som vid tidpunkten fanns tillgängligt, och valet föll på en ordinär tändspole.

Transformatordata:

Oljeisolerad Primärsidan:

induktans 4.9 mH resistans 1.5 Ω Sekundärsidan:

induktans 28.3 H resistans 6.0 kΩ

Egenfrekvens på sekundärsidan: 16 kHz

Simuleringar gjordes på två metoder för att skapa högspänningspulsen.

Metod 1:

Lagringen av energin sker i transformatorns magnetfält och frigörs genom att bryta primär- lindningens ström. Figur 11

Metod 2:

Lagringen av energin sker i en extern kondensator och den frigörs genom att urladda kon- densatorn genom primärlind- ningen. Figur 12

Storleken på R10 är vald så att båda kopplingarna obelastat ger ungefär samma spänning på sekundärsidan. Om å andra sidan energin lagrad i L7 skall motsvara energin lagrad i C11 så skall V10 och R10 väljas så att strömmen genom L7, förutsatt att transformatorkärnan inte mättas, närmar sig 30 ampere. Av praktiska själ är det önskvärt att inte sluta U3 under den tid energilagringskondensatorn är spänningssatt. Det vill säga U3 skall slutas innan uppladd- ningen av energilagringskondensatorn påbörjas. Detta medför att L7 kan vara strömsatt i 60+30 sekunder. Under dessa 90 sekunder kommer primärlindningen (L7) att avge omkring 45 watt värme. Denna värmeutveckling utsätter transformatorn för påfrestningar.

Figur 11

Figur 12

11

Simuleringen av kopplingarna i Figur 11 och Figur 12 visade att kopplingen i Figur 11 (metod 1) har den kortaste tiden från triggning av omkopplaren till dess utspänningen når en viss nivå, se Figur 13.

Figur 13 Utspänning, triggtransformator

Diagrammet visar sekundärspänningen för de två energilagringsmetoderna. Energin lagrad som ett elektriskt fält i en extern kondensator eller som ett magnetiskt fält i transformatorn.

Kopplingen visade sig dock ha några besvärande egenskaper:

• Vid brytning av strömmen uppstår en svårhanterlig högspänningspuls över omkopplaren.

• Strömmen genom primärlindningen leder till en uppvärmning av transformatorn.

12

Till nästa simulering infördes en kapacitans på 3.5 pF parallellt med sekundärlindningen, detta för att ge sekundärsidan resonansfrekvensen 16 kHz. Se Figur 14.

Figur 14

13

Figur 15 avslöjar att metoden med energilagring i transformatorn magnetfält denna gång är den långsammare av de två metoderna, detta oavsett om den induktivt lagrade energin är mindre, Figur 15, eller lika stor, Figur 15 infälld bild, som den kapacitivt lagrade.

Figur 15 Utspänning, triggtransformator med strökapacitans

Detta diagram visar sekundärspänningen för de två metoderna att lagra energin. Energin lagrad som ett elektriskt fält i en extern kondensator eller som ett magnetiskt fält i transformatorn.

Infälld bild: Visar det samma, men för energimängd 2J lagrad både som elektrisk och magnetisk energi.

Förutom att metod 2 visade sig vara snabbare än metod 1, är det även enklare att variera den lagrade energin, antingen genom att variera spänningen över den externa kondensatorn eller att variera dess kapacitans. Metod 2 har två frihetsgrader för att variera den lagrade energin, till skillnad från metod 1 där endast primärlindningens ström kan varieras och där maximal ström till stor del bestäms av acceptabel förlustvärme i lindningen.

Valet föll på metod 2 och realiserades enligt Figur 16.

Figur 16 Triggmodul

14

2.8 Nödurladdningsrelä

Detta reläs funktion är att ladda ur eventuell kvarvarande laddning i energilagrings- kondensatorn.

Följande krav ställs på reläet.

• Det skall isolera för en spänning på 25 kV

• Det skall sluta sig självt om det blir strömlöst

Det rörliga kontaktelementet är anslutet till jord och det fasta till kondensatorn vi ett urladdningsmotstånd. Detta relä sluts av gra- vitationen. För att reläet skall förbli öppet krävs det att en ström flyter genom reläspolen.

2.9 Uppladdnings- och dumpmotstånd

Resistansen hos detta motstånd är 10 kΩ med ett uttag 4.5 kΩ från högspänningssidan. Detta uttag används vid uppladdningen av kondensatorn och är anslutet till lik- riktarbryggan. Motståndet är uppbyggt av 20 stycken seriekopplade 200 watts motstånd á 500 Ω.

Figur 17 1 = Rörligt kontaktelement 2 = Fast kontaktelement

Figur 18 Uppladdnings- och dump-motstånd

15

2.10 Styrmodul

Figur 19 Styrmodul

LM124,1 är en styrd rampgenerator för omvandling av signalerna J5,1 och J5,3 till tider. LM124,2 genererar en puls vars bredd bestäms av signalen J6,1 från strömtransformatorn. J1 är anslutning för RS232. Till J8 ansluts signaler för upp och urladdning. Till J9 ansluts tyristorn i triggmnodulen. J2,1 anslutning för vridtransforma- torns upp-/ner-relä. J2,3 anslutning för huvudkontaktorns hjälprelä. J4,1 anslutning för nödurladdningsrelä.

J4,3 är en ledig anslutning.

Styrmodulen består av en styrdator, U1 i Figur 19, några operationsförstärkare och fyra drivsteg. Styrdatorn har hand om uppladdning och skydd av kondensatorbanken. Skyddet omfattar begränsning av spänning, tidsbegränsning av uppladdningen (60s) och av hålltiden (30s). Den tar även emot uppladdningskommandot från den externa utrustningen och informerar denna när rätt spänning har uppnåtts. Via V.24-porten (9600 n 8) sänder den kontinuerligt information om kondensatorspänning, laddström och inställd referensspänning.

Den övervakar och agerar på urladdningssignalens tillstånd, men den styr inte urladdningen.

Detta beror på att urladdningen kan vara en mycket tidskritisk händelse (Synkroniserad med andra externa händelser).

2.10.1 De två analoga ingångsstegen för spänning

Analog till digitalomvandlingen sker med hjälp av en styrd rampgenerator, U2:1. Signalen från rampen läggs till minusingången på en komparator, U2:3&4. Den analoga signalen vilken skall mätas läggs till komparatorns plusingång. Komparatorns utgång är hög så länge rampens nivå är lägre än den analoga insignalen. En mätning inleds med att styrdatorn sänker rampen till noll volt och nollställer en intern räknare. Därefter instrueras rampgeneratorn att öka rampen med 15*9600/256 [V/s] och den förut nollställda räknaren ökas med ett var 1/9600:de sekund till dess komparatorns utgång går låg. Vid slutet av omvandlingen kopieras räknarens värde till en variabel. Omvandlingen av de båda kanalerna sker samtidigt.

Omvandlingen är inte helt linjär för låga spänningar, detta är dock inget problem då de två

16

analoga ingångarna beter sig i det närmaste identisk för spänningar över 0.5 V. Den ena ingången används för att mäta spänningen över energilagringskondensatorn, Den andra

ingången används som referens för den maximala spänning som kondensatorn skall uppladdas till.

2.10.2 Ingångssteget för uppladdningsströmmen

Detta ingångssteg, U2:2, består av en komparator var plusingång är ansluten till strömtrans- formatorns sekundärlindning, ett icke inritat motstånd belastar även sekundären.

Komparatorns minusingång är ansluten till en referensspänning. Komparatorns utgång går då hög om insignalen överstiger referensspänningen. Utsignalen liknar då ett pulståg med frekvensen 50 Hz och där pulsvidden bestäms av hur stor del av sinussignalen från

strömtransformatorn som ligger över referensspänningen. Styrdatorn mäter denna pulsvidd.

2.10.3 Utgångsstegen för reläer etc.

Dessa fyra utgångssteg är identiska och ett steg består av en effekt-FET, T1-4, och en skyddsdiod. Transistorn är av en typ där styret har en låg tröskelspänning, vilket möjliggör direkt anslutning av styret till styrdatorn.

2.10.4 Utgångssteget för triggmodulen.

Detta steg består endast av en transistor, T5, och två motstånd. Denna transistor kontrolleras inte av styrdatorn. Transistorn påverkas direkt av en extern signal. Utgången ansluts normalt till lysdioden i triggmodulens optokopplare.

2.10.5 Anslutning till extern utrustning

Denna anslutning består av två TTL-ingångar och en TTL-utgång. Den ena ingången, J8:2

”START” aktiv hög, används för att instruera styrdatorn att påbörja uppladdningen av energilagringskondensatorn. Den andra ingången, J8:9 ”URLADDNING” aktiv låg, initierar urladdningen och informerar styrdatorn om detta. Utgången, J8:11 ”VcOK”, signalerar till den externa utrustningen att inställd kondensatorspänningen har uppnåtts.

2.10.6 Anslutning till logger

Denna anslutning, J1:2, är en förenklad V.24-anslutning vilken sänder diverse data med en bithastighet av 9600 bit/s.

2.10.7 Reglering av uppladdningsströmmen

Denna reglering är en mycket enkel on-/off-reglering eller snarare en öka-/minska-reglering då vridtransformatorns motor endast kan köras med- eller moturs och ej stannas annat än i något av vartdera ändläget. Om den ovan nämnda tiden, deriverad från strömtransformatorns sekundärsida, överskrider ett förutbestämt värde så minskas vridtransformatorns omsättning, annars ökas den. När inställd spänning har uppnåtts vrids transformatorn mot lägre

omsättning till dess vridmotorn når gränsläget och därigenom stängs av. Därefter kopplas

vridtransformatorn bort från elnätet.

17

2.10.8 Skyddet av kondensatorn

Detta skydd har två delar. Den första delen är tiden för uppladdningen. Denna tid får ej överstiga 60 sekunder, om så sker körs vridtransformatorn mot lägre omsättning och dumplasten kopplas in. Den andra delen är tiden för vilken kondensatorn hålles uppladdad.

Denna tid får ej överstiga 30 sekunder, om så sker inkopplas dumplasten.

2.10.9 Uppladdningssekvens

1. Öppna nödurladdningsreläet.

2. Kör vridtransformatorn till lägsta omsättningen för att inte koppla in elnätet mot en kortslutning.

3. Koppla in elnätet.

4. Regera strömmen till dess vi har uppnått angiven spänning.

5. Kör vridtransformatorn till lägsta omsättning.

6. Koppla bort elnätet.

7. Signalera att uppladdningen är klar.

2.10.10 Urladdningssekvens

1. Väntar på urladdningssignalen.

2. Slut nödurladdningsreläet, för att dumpa eventuell kvarvarande laddning.

3. Signalera att vi är redo för en ny uppladdning.

2.10.11 Vid urladdning under uppladdningen

Om kondensatorspänningen har minskat med mer än 1kV från den, under aktuell uppladdning, högsta uppnådda spänningen så genomförs följande sekvens:

1. Koppla bort elnätet

2. Slut nödurladdningsreläet.

3. Kör vridtransformatorn till lägsta omsättning.

18

3 Simulering av gnistgapet

3.1 Urladdningskanalen

Enligt Braginskii

kan en urladdningskanal beskrivas på följande sätt. En jämförelsevis smal strömförande kanal, med hög temperatur och jonisation, uppstår i gasen. Värme frigörs i ka- nalen vilket leder till ökat tryck och utvidgning av kanalen. Den utvidgade kanalen verkar som en kolv på den omgivande gasen och, eftersom utvidgning sker med hastig som översti- ger ljudhastigheten, skapar en tryckvåg i denna. Tryckvågen fortplantar sig i gasen framför

”kolven”. Temperaturen i närheten av tryckvågen (mellan vågfronten och ”kolven”) är myc- ket högre än i gasen i vila, och temperaturen i kanalen själv är återigen många gånger högre än i tryckvågen. Följaktligen, är densiteten i kanalen väldigt låg, merparten av gasens massa undanträngs från kanalen, vilket gör det möjligt att betrakta kanalens avgränsningsyta som en kolv.

3.1.1 Kanalradien

Med ovanstående beskrivning till grund arbetar Braginskii fram sin formel (4.7)

vilken beskriver kanalradien som en funktion av ström och tid för en linjärt ökande ström.

Formel 1

a = 0 . 093 ρ

J

t

Där a är i meter, J i ampere, t i sekunder och ρ

= 1 för luft.

Larry K. Warne and Roy E. Jorgenson utvecklar, i sin rapport

, denna till att gälla en godtyckligt föränderlig ström.

Formel 2

( ) ( ) τ τ

ξσ ρ

π ^{I d}

t a

t

 ∫





 

= 

0 3 2 3 1

0 2

2

4

Där a är i meter, I i ampere och t i sekunder.

Urladdningskanalens konduktivitet

i aktuellt temperaturområde antas vara, 10

20 ×

σ = [ ^{S / m} ]

en av gasen och något av strömmen beroende konstant

5

.

≈ 4 ξ

och den omgivande gasens densitet sätts till 29

.

0

= 1

ρ [ ^{kg / m}

]

4S. I. Braginskii, “Theory of the development of a spark channel”, Sov. Physics - JEPT, vol. 34(7), pp.

1068-1074, Dec. 1958.

5 Larry K. Warne and Roy E. Jorgenson, “Resistance of a Water Spark”, SAND2005-6994, Sandia National Laboratories, 2005

19

Då det vore önskvärt att använda den mer generella Formel 2 i kommande simuleringar, ge- nomfördes en jämförelse av simulerade kanalradier och uppmätta

kanalradier. Se Tabell 1.

Formel 2 ansågs var användbar då skillnaden mellan radierna från Formel 2 och Formel 1 är mindre än skillnaden mellan de uppmätta radierna och radierna från Formel 1.

Exp.

Simulering Kanalradien vid tiden

0.3 µ s 0.5 µ s 1.0 µ s L=2µH

( Ι

= 7 . 5 × 10

A/s)

0.65mm 0.95mm 1.55mm

Formel 1 @ 10

5 .

7 ×

=

Ι

A/s

0.66mm 1.0mm 1.81mm

Formel 2 @ 10

5 .

7 ×

=

Ι

A/s 0.68mm 1.0mm 1.86mm

L=12 µ H ( Ι

= 1 . 25 × 10

A/s)

0.33mm 0.50mm 0.80mm

Formel 1

@ Ι

= 1 . 25 × 10

A/s

0.37mm 0.56mm 1.00mm

Formel 2

@ Ι

= 1 . 25 × 10

A/s 0.38mm 0.58mm 1.03mm L=64µH

( Ι

= 2 . 4 × 10

A/s)

0.18mm 0.25mm 0.40mm

Formel 1

@ Ι

= 2 . 4 × 10

A/s

0.21mm 0.32mm 0.58mm

Formel 2

@ Ι

= 2 . 4 × 10

A/s 0.22mm 0.33mm 0.59mm

Tabell 1

Jämförelse mellan simulerade kanalradier (Formel 1 och Formel 2) samt experimentellt bestämda kanalradier.

6 N.M. Gegechkori,“ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАНАЛА ИСКРОВОГО РАЗРЯДА“ J. Exptl. Theoret. Phys. (U.S.S.R.) 21, 493 (1951).

20

3.1.2 Kanalresistansen

Kanalen kan betraktas som en cylindrisk ledare vars längd bestäms av avståndet mellan elektroderna och vars area bestäms av kanalradien.

Resistansen:

^R π ^a

σ

= l [Ω]

där

σ = 20 × 10

[ ^{S / m} ] konduktiviteten l = 9 × 10

[m] kanallängden

a kanalradien

3.1.3 SPICE-modeller

3.1.3.1 modeller för kanalradien

Formel 1 a = 0 . 093 ρ

J

t

SPICE-modell för radien:

0.093*pwr(1.00,-1/6)*pwr(abs(I(E1)),1/3)*pwr(time,1/2)

Formel 2 ( ) ( ) τ τ

ξσ ρ

π ^{I d}

t a

t

∫

 



 

= 

0 3 2 3 1

0 2

2

4

SPICE-modell för radien:

sqrt(pwr(4/(3.1416*3.1416*1.29*4.5*20e3),1/3)*SDT(pwr(abs(I(E1)),2/3)))

3.1.3.2 SPICE-modeller för urladdningskanalen

Följande värden på konduktiviteten och kanallängden används i modellerna nedan:

10

20 ×

σ = [ ^{S / m} ]

10

9 ×

=

l [m]

Modellen för gnistgapets resistans är en strömberoende spänningskälla.

SPICE-modell för gnistgapet, radien enligt Formel 1 a = 0 . 093 ρ

J

t

^:

E<name> <(+) node> <(-) node> VALUE = {

+ 0.009*I(E<name>)/(3.1416*20e3*pwr(0.093*

+ pwr(1.00,-1/6)*pwr(abs(I(E<name>)),1/3)*pwr(time,1/2)+1e-9,2)) + }

SPICE-modell för gnistgapet, radien enligt Formel 2 ( ) ( ) τ τ ξσ

ρ

π ^{I d}

t a

t

∫

 



 

= 

0 3 2 3 1

0 2

2

4

E<name> <(+) node> <(-) node> VALUE = {

+ 0.009*I(E<name>)/(3.1416*20e3*pwr(4/(3.1416*3.1416*1.29*4.5*20e3), + 1/3)*SDT(pwr(abs(I(E<name>)),2/3)))

+ }

21

3.1.4 Jämförelse av simulerad och fotograferad kanalradie

Ett försök gjordes att, utifrån Figur 20, bestämma urladdningskanalens maximala bredd. På grund av det inhomogena magnetfältets, Figur 22, inverkan på den joniserade urladdnings- kanalen så deformeras denna. Utifrån Figur 21 erhålles kanaldiametrar från 30 mm, för den ljusaste regionen, till 80 mm, för den ljussvagaste. Dessa kanaldimmensioner stämmer något- sånär överens med simuleringen i Figur 23, där den slutliga kanalradien är omkring 45 mm.

Figur 20 Fotografi av gnistgapet.

1 = Huvudelektrod ansluten till kondensatorn;

2 = Huvudelektrod ansluten till lasten;

3 = Triggelektrod

Figur 21

Gnistgapet från Figur 20, ökad kontrast.

Urladdningskanalen, och svårigheterna med att bestämma dess diameter.

Figur 22

Den joniserade gasen i urladdningskanalen (2) tvingas, i pilens riktning, bort från det tätare magnetfältet (3) innanför strömens väg (1) mot det glesare magnetfältet utanför.

Figur 23 Kanalradien enligt

Formel 2

22

4 Några av försöken

Endast försök 4 och 8 anses vara av intresse för denna rapport. Försök 4 därför att det gav ett påtagligt resultat och en intressant simulering. Försök 8 därför att detta försök avslutade serien i förtid.

Dock medtages en kort redovisning av försök 1,2,6 och 7, trots att de är av ingen eller ringa betydelse för denna rapport.

4.1 Försök nummer 1 och 2

Försök rörande en elektrotermisk katapult se Figur 24. Vid försök nummer 1 var utsidan av isoleringen fuktig vilket resulterade i ett överslag. Vid försök nummer 2 ägde urladdningen rum i urladdningskammaren och allt däri befintligt vatten förångades, dock rämnade kammaren.

Figur 25 visar anord- ningen efter försök nummer 1. Figur 26 visar de återfunna delarna efter försök nummer 2.

4.2 Försök nummer 4

Prov 4 var ett försök att återskapa det berömda "myntkrympar"-försöket. En 50-öring av den nya typen placerades enligt Figur 27, stödd av två trästavar, i centrum av en spole. Spolen ut- gjordes av några varv isolerad koppartråd.

Denna spole med, myntet på plats, hade en in- duktans på 3.6 µH. Spolen anslöts till utrust- ningen, kondensatorn laddades till 17.5 kV och urladdades sedan genom spolen. Efter urladd- ningen återfanns trästavarna hårt åtgångna i den ände spolen täckt. Av spolen återfanns endast något enstaka fragment. Dock återfanns myntet och resultatet kan ses i Figur 28.

Även en simulering av försöket genomfördes.

Figur 29 visar SPICE-schemat. Resultatet av simuleringen kan ses i Figur 30.

Figur 25

Figur 24

1, Högspänninganslutning; 2, Isolering;

3, Returanslutning; 4, Uraddningskammare

Figur 26

Figur 27

Figur 28

23

Figur 29

Kondensatormodellen består av en kapacitans (C1) initierad till 17.5 kV (IC) i serie med en induktans (L2).

Gnistgapet består av en slutande kontakt (U2) och kanalmodellen (HS1). Lasten simuleras som en induktans (L1) i serie med en resistans (R1) vilken får representera motståndet i spolen och tilledningar.

24

Figur 30

25

4.3 Försök 6 och 7

Försök rörande en elektromagnetisk katapult se Figur 31. En ring av aluminium placerades på en platt spole. Kondensatorn urladdades genom spolen. Den i ringen inducerade strömens

magnetfält är motriktat spolens magnetfält. Detta får till följd att ringen och spolen repellerar varandra. Vid båda dessa försök hördes, innan urladdningen, ett tydligt knastrande ljud. Ljudet antogs härröra från ett elektriskt överslag. Vid försök nummer 7 skedd, skillnad från försök 6, ingen falsktriggning.

4.4 Försök nummer 8

Avsikten med prov 8 var tvåfaldig. Dels att ta reda på var överslagen, som orsakade falsktrig- gningen i ett tidigare prov, skedde och dels att prova kondensatorskyddet, bestående av nödurladdningsreläet och dumpmotståndet. För att vara säker på att kondensatorns lagrade energi verkligen förbrukades i dumpmotståndet så genomfördes provet utan last. Detta bidrog troligen till det katastrofala resultatet genom att en stor del av energin nu kom att dumpades i triggtransformatorn i stället för en eventuellt ansluten last, var resistans vanligtvis är mycket lägre an triggtransformatorns.

Under uppladdningens slutskede hördes även denna gång överslagens knäppar, dock syntes inga överslag på videoupptagningen. Under hållperiodens 30 sekunder skedde inget

anmärkningsvärt. Vid hållperiodens slut utlöste planenligt nödurladdningsreläet. I stort sett samtidigt, samma bildruta 1/25 sekund, som ljusbågen tänds mellan nödurladdningsreläets kontakter sker ett överslag i skyddskondensatorn. Detta överslag utvecklas på mindre än 1/25 sekund till en ljusbåge. En sekund senare urladdas energilagringskondensatorn via överslaget i skyddskondensatorn genom triggtransformatorn. Nedan följer några bilder från denna video.

Figur 32 Figur 33 Figur 34

Figur 32 är bilden innan lagringskondensatorns kvarvarande energi dumpas genom

triggtransformatorn. Detta är 25 bildrutor, dvs. 1 sekund, efter nödurladdningen påbörjades.

Figur 33 är den första bilden där videokamerans automatiska exponeringssystem har återhämtat sig efter urladdningen. Detta är 0.28 sekunder efter Figur 32.

Figur 34 är en bild hämtad från samma video, men ytterligare några sekunder senare, har ses triggtransformatorns oljeindränkta innanmäte, hängande brinnande utanför transformatorn metallhölje.

Figur 31

26

5 Felanalys av försök nr. 8

Då en stor del av elektroniken förstördes under detta försök var försök nummer 8 det sista försöket som kunde genomföras. Dock är det av intresse att, för en framtida återuppbyggnad av apparaten, förstå delar av händelseförloppet.

5.1 Ljusbågarna

Vid genomgången av videoupptagningen från försök nr 8 upptäcktes, i delbilden före genom- brottet i blockeringskondensatorn, se Figur 35, en långsamt tilltagande ljusbåge (A) härröra- nde från nödurladdningsreläet och en pulserande ljusbåge (B) från blockeringskondensatorn eller gnistgapets vänstra halva. En pulserande ljusbåge tyder på en oscillerande ström. Då energilagringskondensatorns livslängd alvarligt förkortas av en stor spänningsreversering, lades viss vikt vid att finna huruvida energilagringskondensatorn deltog i oscillationen. Av- saknaden av uttalade intensitetsvariationer i ljusbåge (A) talar visserligen emot att energilag- ringskondensatorn deltog i oscillationen, men ett försök gjordes dock att, utifrån delbilden, bestämma strömvariationens frekvens.

Figur 35

Delbild från videoupptagningen av försök nr 8.

Vid A syns ljusbågen då kontaktorn kopplar in dumplasten. Vid B syns den pulserande ljusbågen. 260 resp. 283 anger bildlinjens nummer för de använda maxima.

Utan att i detalj gå in på hur en CCD-sensor i en videokamera fungerar så bör det nämnas att laddningarna i sensorns bildpunkter skiftas, linje för linje, till en buffert och att linjen i buffer- ten, punkt för punkt, skiftas ut som en videosignal. Enlig PAL-standarden är linjetiden 64 µs, vilket motsvarar 15625 linjer per sekund (se nedan för en verifiering av den använda kame- rans linjefrekvens). En effekt av linjeskiftandet hos CCD-sensorn är att ett intensivt ljus expo- nerar linjerna under skiftningsprocessen. Denna effekt påminner till stor del om funktionen hos en streakkamera. I detta fall överlagras dock denna exponering på den normalt expone- rade bilden, därav bilden ovan.

Den oscillerande strömmen antas vara sinusformad. Under en period kommer då strömmen att, två gånger, passera noll med följd att ljusbågen slocknar för att åter tändas under efter- följande halvperiod.

Från bilden fås att avståndet för två perioder, fyra minima, är 283-260=23 linjer, á 15625 Hz,

vilket ger frekvensen 15625*2/23 = 1360 Hz.

27

5.2 Beräkning av resonansfrekvensen

Beräkning av resonansfrekvensen för blockeringskondensatorn och triggtransformatorns sekundärlindning:

Kapacitansen (Blockeringskondensatorn) Dielektricitetskonstanten för vakuum:

] / [ 36 / 10

0

π F m

ε =

Rel. dielektricitetskonstant för FR4 4

.

= 4 ε

Kondensatorns area:

] [ 022656 .

0 192 . 0 118 .

0 m

A = ⋅ =

Avståndet mellan plattorna:

] [ 10 6 .

1

m

d = ⋅

kapacitansen:

pF d F

C

A  [ ] ≈ 550



 



= ε ε 

Induktansen (Triggtransformatorns sekundärlindning):

] [ 3 .

28 H

L =

Resonansfrekvensen:

[ ] ^Hz

LC f

f 1 1280

2 = ⇒ ≈

= π ω

Vilket överensstämmer tämligen bra med de, från videoupptagningen, uppmätta 1360Hz.

Av denna överrensstämmelse i frekvens och avsaknaden av variationer i ljusbåge A dras slut-

satsen att energilagringskondensatorn inte utsatts för spänningsreversering i denna del av för-

loppet.

28

5.3 Verifiering av kamerans bildlinjefrekvensen

Verifiering av kamerans linjeskiftfrekvens gjordes med att stroboskop inställt på 199Hz.

Figur 36 Delbild videoupptagning av 199 Hz stroboskop

Från Figur 36 erhålles följande:

Bildlinjen för första använda exponering är linje 99 och för den tredje använda exponeringen är linje 256.

Tiden mellan dessa exponeringar är 2/199 s.

Linjefrekvensen blir då:

( ) [ ] ^Hz

f

= 256 − 99 ⋅ 199 / 2 = 15622

Vilket är mycket när PAL-standardens 15625 linjer per sekund. Kamerans skiftfrekvens för

linjerna anses därmed vara 15625Hz.

29

6 Slutsatser och rekommendationer

6.1 Angående apparaten

Apparaten i sin helhet fungerade som avsett. Då därtill nödvändiga komponenter redan är införskaffade så rekommenderas en utbyggnad till 200kJ. Detta leder till att apparaten delas i två delar, en del med laddnings- och övervakningsutrustning och en del med konden- satorer och laborationsyta. För kondensatordelen se Figur 37.

6.2 Angående gnistgapet

Gnistgapet fungerade över förväntan. För att minska magnetfältets förvrängning av urladd- ningskanalen bör huvudelektrodernas anslutningar läggas på en gemensam axel.

Triggelektroden bör förses med en spänningsdelare så att elektroden verkligen antar halva gapspänningen. Huvudelektrodernas diameter, 50 mm, är betydligt mindre än den simulerade kanaldiametern på 90 mm. Ett gnistgap med tillräckligt stora plana elektroder, se Figur 6, tor- de utnyttja urladdningskanalen bättre än det använda gnistgapet. Nuvarande elektrodmaterial, stål, bör ersättas med ett tåligare material. Kenneth B. Riepe et al

undersökte olika

elektrodmaterial och fann ett lämpligt kompositmaterial i K25, kopparfylld volfram, från Plansee. Gnistgapet bör även byggas in i ett hölje som avskärmar genererat ultraviolett ljus.

6.3 Angående triggtransformatorn

Av säkerhetsskäl bör den använda oljeisolerade triggtransformatorn ersättas med en torr trans- formator. Eventuellt bör en framtida triggtransformator även ha en större bandbredd än den nu använda.

6.4 Angående DC-blockeringskondensatorn

Den använda kondensatorns avstånd mellan elektroderna och kanten på isoleringen var för litet.

6.5 Angående vridtransformatorn

Vid en framtida utbyggnad av systemet, framförallt om en större kapacitans ansluts, så bör den nuvarande motordrivna vridtransformatorn bytas till en större modell eller, vilket rekom- menderas, ersättas med en elektronisk omformare. Om en motordriven transformator används bör styrningen av vridmotorn modifieras från nuvarande upp-/nedstyrning till någon mer kontinuerlig styrning, detta bör minska slitaget på vridtransformatorn och förkorta uppladd- ningstiden, vilket kan öka livslängden på energilagringskondensatorerna.

6.6 Angående anslutningar

I nuläget sker allt utbyte av signaler med apparaten via kopparledningar. Av säkerhetsskäl bör dessa ersättas med fiberoptiska kablar.

7 Kenneth B. Riepe et al,”300-kJ, 200-kA MARX MODULE FOR ANTARES”, Digest of technical papers: 2^nd IEEE International Pulsed Power Conference 1979, pp.254-260

Figur 37 Utbyggnad till 200kJ